Конструкция газового лазера

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Газовые лазеры наиболее часто используются в области научных исследований, в промышленности и медицине. В этих лазерах в качестве активной среды преимущественно применяются возбужденные электрическим током газы или пары (нейтральные атомы или молекулы, ионы атомов или молекул). Характеристики газовых лазеров можно изменять различными способами:

· варьируя большое количество газов или смесей газов;

· путем изменения параметров газа (давление, температура, состав газа);

· с помощью различных способов возбуждения;

· с помощью соответствующего конструктивного исполнения.

Благодаря этому параметры газовых лазеров в значительной степени могут быть согласованы с предусмотренными применениями. По сравнению с другими типами (твердотельными, полупроводниковыми и лазерами на красителях) газовые лазеры характеризуются следующими специфическими свойствами.

Как правило, из-за низких давлений газа в активной среде. (10−104 Па) необходимы существенно большей длины усиления, чем, например, в полупроводниковых лазерах, и тем самым более значительные размеры. Активные среды газовых лазеров однородны и не имеют потерь, так что достижимо более высокое качество пучка лазерного излучения. Путем быстрой замены газа можно легко отвести выделяющееся тепло, так что достижимы высокие мощности в непрерывном режиме работы. Возможны более высокие абсолютные точности и стабильности частоты. Имеется большое число частот газового лазера от вакуумного УФ — диапазона (примерно 100 им) до диапазона СВЧ (около 2 мм).

Ионные лазеры являются источником непрерывного когерентного излучения в основном в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Ионные лазеры на инертных газах имеют следующие основные особенности: рабочие уровни ионных переходов расположены достаточно высоко, а расстояние между ними на энергетической диаграмме больше, чем у атомных переходов, что обусловливает возможность получать лазерную генерацию в коротковолновой области спектра; большая, как правило, по сравнению с атомными переходами вероятность ионных переходов и сравнительно высокие параметры насыщения позволяют получать высокую мощность излучения в непрерывном режиме.

В настоящее время в качестве активной среды полных лазеров получили распространение такие инертные газы: аргон, криптон, ксенон, неон. Наиболее мощная генерация (несколько сотен ватт) получена в сине-зеленой области спектра 488,8 мм, 514,5 мм) на ионах Аг3+, в желто-красной (568,2 нм — 647,1 нм) на ионах Кr2+, а УФ линиях Аг3+ и Кг3+. Но в основном применение имеют лазеры на аргоне.

1. Газовый лазер

Лазер с газообразной активной средой. Трубка с активным газом помещается в оптический резонатор, состоящий в простейшем случае из двух параллельных зеркал. Одно из них является полупрозрачным. Испущенная в каком-либо месте трубки световая волна при распространении её через газ усиливается за счёт актов вынужденного испускания, порождающих лавину фотонов. Дойдя до полупрозрачного зеркала, волна частично проходит через него. Эта часть световой энергии излучается вовне. Другая же часть отражается от зеркала и даёт начало новой лавине фотонов. Все фотоны идентичны по частоте, фазе и направлению распространения. Благодаря этому излучение лазера может обладать чрезвычайно большой монохроматичностью, мощностью и резкой направленностью.

Первый был создан в США в 1960 А. Джаваном. Существующие работают в очень широком диапазоне длин волн от ультрафиолетового излучения до далёкого инфракрасного излучения как в импульсном, так и в непрерывном режиме приведены некоторые данные о наиболее распространённых непрерывного действия. Из работающих только в импульсном режиме, наибольший интерес представляют лазеры ультрафиолетового диапазона на ионах Ne (л = 0,2358 мкм и л = 0,3328 мкм) и на молекулах N2 (л = 0,3371 мкм).

В излучении наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность помощью возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Открываются новые области применения, например в космических исследованиях.

1. 1 Особенности газов как лазерных материалов

По сравнению с твёрдыми телами и жидкостями газы обладают существенно меньшей плотностью и более высокой однородностью. Поэтому световой луч в газе практически не искажается, не рассеивается и не испытывает потерь энергии. В таких лазерах сравнительно просто возбудить только один тип электромагнитных волн (одну моду). В результате направленность лазерного излучения резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией света Расходимость светового луча в области видимого света составляет 10-5 — 10-4 рад, а в инфракрасной области 10-4 — 10-3 рад. [5,7]

В отличие от твёрдых тел и жидкостей, составляющие газ частицы (атомы, молекулы или ионы) взаимодействуют друг с другом только при соударениях в процессе теплового движения. Это взаимодействие слабо влияет на расположение уровней энергии частиц. Поэтому энергетический спектр газа соответствует уровням энергии отдельных частиц. Спектральные линии, соответствующие переходам частиц с одного уровня энергии на другой, в газе уширены незначительно. Узость спектральных линий в газе приводит к тому, что в линию попадает мало мод резонатора. Так как газ практически не влияет на распространение излучения в резонаторе, стабильность частоты излучения зависит главным образом от неподвижности зеркал и всей конструкции резонатора. Это приводит к чрезвычайно высокой стабильности частоты излучения. Частота щ излучения воспроизводится с точностью до 10-11, а относительная стабильность частоты

(1)

Малая плотность газов препятствует получению высокой концентрации возбуждённых частиц. Поэтому плотность генерируемой энергии существенно ниже, чем у твердотельных лазеров. [1,2,3]

1. 2 Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах

Активной средой является совокупность возбуждённых частиц газа (атомов, молекул, ионов), обладающих инверсией населённостей. Это означает, что число частиц, «населяющих» более высокие уровни энергии, больше, чем число частиц, находящихся на более низких энергетических уровнях. В обычных условиях теплового равновесия имеет место обратная картина — населённость низших уровней больше, чем более высоких. В случае инверсии населённостей акты вынужденного испускания фотонов с энергией hн = Ев — Ен, сопровождающие вынужденный переход частиц с верхнего уровня Ев на нижний Ен, преобладают над актами поглощения этих фотонов. В результате этого активный газ может генерировать электромагнитное излучение частоты

(2)

или с длиной волны

(3)

Одна из особенностей газа (или смеси газов) — многообразие физических процессов, приводящих к его возбуждению и созданию в нём инверсии населённостей. Возбуждение активной среды излучением газоразрядных ламп, нашедшее широкое применение в твердотельных и жидкостных лазерах, малоэффективно для получения инверсии населённостей, т. к. газы обладают узкими линиями поглощения, а лампы излучают свет в широком интервале длин волн. В результате может быть использована только ничтожная часть мощности источника накачки (КПД мал). В подавляющем большинстве инверсия населённостей создаётся в электрическом разряде (газоразрядные лазеры). Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях с частицами газа (электронный удар) возбуждают их, переводя на более высокие уровни энергии. Возбуждение атомов и молекул электронным ударом является наиболее разработанным методом получения инверсии населённостей в газах. Метод электронного удара применим для возбуждения как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Возбуждение электронным ударом удачно сочетается с др. механизмом возбуждения — передачей энергии, необходимой для возбуждения частиц одного сорта от частиц др. сорта при неупругих соударениях (резонансная передача возбуждения). Такая передача весьма эффективна при совпадении уровней энергии у частиц разного сорта.

В этих случаях создание активной среды происходит в два этапа: сначала электроны возбуждают частицы вспомогательного газа, затем эти частицы в процессе неупругих соударений с частицами рабочего газа передают им энергию. В результате этого населяется верхний лазерный уровень. Чтобы хорошо накапливалась энергия, верхний уровень энергии вспомогательного газа должен обладать большим собственным временем жизни. [5,6,8]

2. Аргонные лазеры

Аргоновый лазер был изобретен в 1964 году Уильям Бриджес и является одним из семейства лазеров Ион, что использование благородных газов в качестве активной среды. С помощью ионизированных инертных газов Ne, Аr, Кr в газовых разрядах на более чем 250 линиях в спектральном диапазоне от 175 до 1100 нм достигается генерация лазерного излучения. При этом, как правило, чем выше состояние ионизации, тем короче длины волн и тем больше энергия фотонов, поскольку отмечается все более сильная связь оптических электронов. Некоторые из лазерных линий возникают из переходов в инертных газах, иногда многократно ионизированных. Столь высокое состояние ионизации с необходимой плотностью ионов возможно только в импульсном режиме. [5]

Особое значение имеют непрерывные лазеры в инертных газах, однократно и двукратно ионизированных. Главным представителем такого типа является ионный аргоновый лазер, который в специальных исполнениях способен генерировать мощности выше 100 Вт в сине-зеленой области спектра и до 60 Вт в ближней ультрафиолетовой области. Это один из самых популярных лазеров коммерческого назначения. Криптоновый лазер с непрерывными мощностями в несколько ватт расширяет область спектра почти до инфракрасной зоны.

Уильям Р. Беннетт был изобретатель первого лазера газ (гелий-неоновый лазер), был первым, кто заметил спектральные эффекты провалов в газовых лазеров, и создал теорию выжигания воздействие на лазерных колебаний. Он был одним из первооткрывателей лазеров при возбуждении электронным ударом в каждом из благородных газов, диссоциативной передачи возбуждения в лазерных неон-кислород (первый химический лазер), и столкновение возбуждения в нескольких лазеры на парах металлов.

2. 1 Энергетические уровни атома AR

Он генерирует одновременно на нескольких длинах волн в диапазоне 454,5−514,5 нм, причем наибольшая интенсивность генерации соответствует линиям с = 488 нм (голубая) и = 514,5 им (зеленая).

Механизм создания инверсии в аргоновом лазере основан на заселении верхнего лазерного уровня благодаря двум последовательным столкновениям атома с электронами в электрическом разряде. Атомы аргона, соударяясь с электронами, ионизуются и переходят на основной уровень иона первое столкновение. Далее ионы аргона, сталкиваясь с электронами, переходят на верхние лазерные уровни. Пусть плотность числа ионов аргона в основном состоянии — Ni,а плотность числа электронов — Ne. В целом плазма разряда электронейтральна, т. е. Ni =Ne. При этом предположении скорость накачки верхних лазерных уровней на единицу объема за счет данного процесса будет

(4)

В стационарном разряде плотность электронов пропорциональна плотности тока разряда: Ne~I. Следовательно, dN/dt~ I2. Скорость накачки в стационарных условиях определяет мощность генерации. В стационарном режиме населенность возбужденного состояния ионов в первом приближении равна

(5)

где v — средняя скорость хаотического движения электронов; - максимальное эффективное сечение возбуждения ионов эдектронами; t время жизни возбужденного состояния иона; -. разность энергий между возбужденным и основным состояниями иона; Те-электронная температура. Концентрация электронов в плазме равняется концентрации ионов (Ne =Nt), поэтому разность заселенностей двух рабочих уровней — верхнего iи нижнего r — составит

(6)

где — разность энергий между уровнями i и r

Из этого выражения следует, что инверсия (> 0) возможна при условии> . Посколькуипо значениям близки друг к другу, то возможность инверсии определяется значениями ит.е., временами жизни на рабочих уровнях. Время жизни на верхнем уровне должно быть больше времени жизни на нижнем уровне. Время жизни верхнего лазерного уровня порядка 10-8 с, тогда как нижний лазерный уровень (4s) определяется радиационным переходом в основное 'состояние и имеет время жизни около 10 с. [7]

Кроме приведенного механизма создания инверсии, который является основным, имеются еще и другие процессы, дающие вклад в инверсию, Значительный вклад в инверсию могут вносить ступенчатое возбуждение электронным ударом через метастабильные состояния; каскадное заселение верхних уровней сверху. Количественный вклад этих процессов сильно зависит от режима работы лазера и конкретного перехода.

В результате соударения электронов ионизируется атом аргона. Далее, после столкновения второго рода, ион аргона возбуждается в верхний лазерный уровень. Другие механизмы возбуждения заключаются в том, что населенность создается за счет распадов излучения вышележащих уровней либо электронно-столкновительное возбуждение проистекает из более глубоких метастабильных состояний иона аргона.

Упрощенная схема энергетических уровней атома

Как предполагается, все три процесса вносят существенный вклад в заселенность верхнего лазерного уровня, причем, например, на долю каскадных переходов из вышележащих уровней приходится от 25 до 50%. [3,4]

Спектр излучения аргона

Для эффективного возбуждения линий Аr+в разряде требуется плотность электронов 1014 см-3. Эта величина достигается при плотности тока до 103А·см2 в дуговых разрядах низкого давления. Напряженность поля вдоль разряда составляет порядка 4 В см-1. Температура нейтрального газа может достигать 5·103 К. Высокие плотности мощности требуют значительных технических затрат при конструировании лазерных трубок. В большинстве случаев речь идет о керамической трубке с водяным охлаждением, например, из (ВеО) — вещества, обладающего высокой теплопроводностью, почти как у алюминия.

В других вариантах исполнения разряд проводится через снабженные отверстиями вольфрамовые диски, отводящие тепло на трубку посредством держателей из меди. Сегодня в большинстве случаев находят применение трубки именно из (ВеО). Так как порошок (ВеО) сильно ядовит, утилизация таких трубок требует максимальной осторожности с привлечением специализированных организаций. Благодаря своей высокой плотности электроны отжимаются радиально наружу, что приводит к понижению плотности тока. Этот эффект компенсируется за счет внешнего магнитного поля, создаваемого с помощью длинной катушки вокруг лазерной трубки. На электроны воздействует лоренцева сила, направленная перпендикулярно оси и радиальной составляющей движения. В результате этого движение из радиального направления отклоняется на круговую или спиральную траекторию, и разряд концентрируется как раз на оси. Это смягчает влияние плазмы на материалы лазерной трубки, что значительно повышает срок ее службы. Дополнительно увеличиваются скорость накачки и коэффициент полезного действия лазера. Высокие токи берутся из обогреваемых напрямую запасных катодов, а анодами могут служить охлажденные конструктивные элементы из мели. [4,5]

При наличии больших токов в разряде происходит передача импульсов от электронов газу, и осуществляется дрейф газа в сторону катода. Для выравнивания возникающих градиентов давления вдоль трубки в медных дисках выполняются специальные отверстия. Газ в ионном лазере истощается, ибо разряд гонит ионы прямо в стенку. У коммерческих лазеров эта потеря газа компенсируется автоматически из присоединенного резервуара. Давление газа находится на уровне 1−100 Па, причем, в отличие от многих других типов лазеров, здесь используется не смесь газов, а чистый аргон.

В отличие от гелий-неонового лазера, экранирующие эффекты не играют роли в создании инверсии населенностей, и здесь возможна лазерная трубка большого диаметра. Коэффициент усиления для линии 488 нм при длине 50 см примерно составляет: G= 1,35. С учетом качества пучка его диаметр ограничивают величиной от 1,5 до 2 мм. Коэффициенты полезного действия здесь обычно менее 10-3. Благодаря применению лазерных зеркал с отражением в широком диапазоне одновременно достигается излучение на разных линиях. Для селекции отдельных длин волн используется брюстеровская призма в лазерном резонаторе. Во избежание потерь отражения при такой призме лучи падают на призматические поверхности под углом Брюстера (это угол полной поляризации). Другая сторона призмы ориентирована перпендикулярно пучку лазера, преломляемого на первой поверхности. Вертикальная задняя поверхность имеет высокое зеркальное покрытие. В зависимости от длины волны имеет место разное отклонение пучка в первой поверхности. Путем поворота призмы могут устанавливаться различные линии. Типовые мощности для коммерческого лазера 20 Вт с селекцией по длинам волн. Из-за высокой температуры в области разряда ширина линии составляет — по причине доплеровского уширения — до 6 ГГц. Без частотно-селективных элементов длина когерентности находится в сантиметровом диапазоне. Для применения в сфере голографии это значение увеличивается с учетом внутрирезонаторного эталона. В этом случае ширину полосы можно сократить до 5 МГц. Почти все коммерческие лазеры на инертном газе генерируют на основной ТЕМ00 - моде. Несмотря на значительную нагрузку трубки со стороны высоких токов, ее срок службы достигает многих тысяч рабочих часов.

3. Устройство аргонового лазера

Основным параметром, во многом определяющим выходные характеристики ионных лазеров, является плотность разрядного тока. С ростом плотности тока мощность излучения растет приблизительно пропорционально кубу тока. При увеличении плотности тока скорость возрастания мощности снижается. В режимах, близких к рабочим, эта зависимость носит примерно квадратичный характер. При дальнейшем увеличении плотности тока (600−1000 А/см2) наблюдается насыщение и далее спад, вплоть до исчезновения генерации. Спад мощности обусловлен в основном возбуждением электронами верхних лазерных уровней, пленением УФ резонансного излучения (= 72 нм), 100% ионизацией, вытеснением газа и др.

лазер газ аргон ток

Зависимость мощности излучения аргонового лазера от плотности разрядного тока

Из-за большой плотности тока в газоразрядной трубке происходит перекачка ионов Аг +по направлению к катоду, что приводит к срыву генерации. Для компенсации этого эффекта в конструкции газоразрядной трубки предусмотрена дополнительная трубка (обводной канал), обеспечивающая обратную циркуляцию газа. Для предотвращения возникновения разряда через эту трубку она делается длиннее основной газоразрядной трубки. Кроме того, трубку обычно помещают в постоянное магнитное поле, параллельное оси трубки. Продольное магнитное поле существенно влияет на параметры плазмы; траектории электронов, движущихся поперек силовых линий поля к стенкам разрядной трубки, закручиваются. В результате частота соударений в плазме повышается, а потери на стенках уменьшаются. Напряжение горения разряда в магнитном поле снижается, и при том же разрядном токе мощность излучения увеличивается, т. е. растет и КПД.

С увеличением напряженности магнитного поля концентрация заряженных частиц возрастает, а электронная температура уменьшается. Рост концентрации ионов приводит к увеличению инверсии, а снижение электронной температур к ее уменьшению. Поэтому зависимость мощности излучения от напряженности магнитного поля имеет экстремум. Оптимум напряженности поля лежит в интервале 2* 104 — 105 А/м, а его конкретное значение зависит от плотности тока, диаметра капилляра, давления газа. Аналогичным образом зависит мощность излучения от давления наполняющего газа. Здесь оптимум лежит в диапазоне 40 — 80 Па. Он также зависит от параметров разряда. [7,8]

Высокие плотности разрядного тока, выделяющаяся в разрядном капилляре большая тепловая мощность (сотни ватт с одного сантиметра длины), вытеснение, перекачка и поглощение газа обусловливают высокие требования к материалу трубки. В настоящее время они выполняются из кварца, окиси бериллия (ВеО), графита, анодированных алюминиевых секций, тугоплавких металлов. Первые трубки были с кварцевым разрядным каналом. Низкая теплопроводность кварца и обусловленные этим ограничения по плотности тока привели к необходимости использования более теплопроводных диэлектрических материалов. Практическое применение нашла электровакуумная керамика на основе окиси бериллия. Ее теплопроводность близка к теплопроводности алюминия, температура плавления 2700 С, напряжение пробоя 10' В/см; она хорошо спаивается с электровакуумным материалом; предельные токовые нагрузки составляют 800−1000 А/см2. Перспективными являются лазеры, использующие капилляры из вольфрамовых шайб. Такие капилляры обладают существенно большей прочностью, они в меньшей степени подвержены эрозии, в них практически отсутствует поглощение инертного газа.

Водяное охлаждение значительно осложняет эксплуатацию аргоновых лазеров, однако оно неизбежно при уровнях излучаемой мощности порядка 1 Вт и потребляемой мощности около 10 кВт. Если мощность излучения составляет 100−200 мВт, то возможно ограничиться принудительным воздушным охлаждением. В настоящее время выпускается большое число типов ионных газовых лазеров на различные уровни мощности излучения. Наибольшее распространение в промышленности получили приборы, работающие в непрерывном режиме, имеющие мощность излучения от долей милливатт до 5−20 Вт при КПД 0,01−0,1%. В отдельных образцах получена мощность излучения до сотен ватт при КПД до десятых долей процента.

Высокая мощность излучения, повышенная энергия фотонов и возможность получения одночастотного режима обеспечили распространение ионных лазеров как мощных источников оптической накачки в голографии, спектроскопии комбинационного рассеяния, медико-биологических исследованиях, для подводной локации и телевидения, в системах аэрофоторазведки, лазерной технологии получения конформных и дифракционных оптических элементов и т. п. На рисунке изображены два вида аргоновых лазера: лазер с водным охлаждениеми с воздушным охлаждением. Лазеры с водным охлаждением более мощнее чем лазеры с воздушным охлаждением. [10]

4. Применение аргоновых лазеров

4. 1 Лазер в офтальмологии

Для большинства заболеваний постоянно требуются все новые методы лечения. Но лазерное лечение является таким методом, который сам ищет болезни, чтобы их вылечить. Впервые для хирургического лечения глаз лазер был применен в 60-х годах XX века и с тех пор используется для сохранения, улучшения и в некоторых случаях коррекции зрения у сотен тысяч мужчин, женщин и детей во всем мире. Слово лазер является акронимом. Оно было создано из первых букв пяти английских слов — light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света путем стимулированной эмиссии радиации).

Для создания лазерного луча в трубку нагнетаются специальные газы, а затем через нее пропускается сильный электрический заряд. Офтальмологические лазеры обычно используют один или три различных газа: аргон, который дает зеленый или зеленовато-голубой свет; криптон, который дает красный или желтый свет; neodymium-yttrium-alluminum-garnet (Nd-YAG), который дает инфракрасный луч. Аргоновый и криптоновый лазеры называются фотокоагуляторами. Производимый ими луч поглощается пигментными тканями глаза и преобразуется в тепло. Это тепло выжигает, или каутеризует, ткань, оставляя на ней шрам. Этот вид лазера часто используется для присоединения отслоившейся сетчатки. Несмотря на то что в местах образования шрамов глаз ничего не видит, шрамы настолько малы, что не влияют на остроту зрения. Эти лазеры также используются в случаях диабетической ретинопатии (ретинита) для выжигания кровеносных сосудов и снижения последствий дегенерации желтого пятна. Их также применяют в случаях серповидно-клеточной ретинопатии, заболевании, наиболее распространенном среди чернокожих пациентов. [9]

Аргоновый и криптоновый лазеры применяются также при глаукоме, увеличивая дренаж, позволяя снять замутненность зрения, вызванную скоплением жидкости внутри глаза. Аргоновый лазер также можно применять для удаления опухолей на веках, при этом не повреждая само веко и почти не оставляя шрама. Лазер Nd-YAG является фоторазрушителем. Вместо того чтобы выжигать ткань, он ее взрывает. Его можно использовать несколькими способами, например для рассекания спаек радужки или разрушения спаек стекловидного тела, которые могут вызвать отслоение сетчатки.

Этот вид лазера также используется после некоторых операций по поводу катаракты, когда мембрана мутнеет и снижается зрение. С помощью лазера в помутневшей мембране делается отверстие. Все это под силу лазеру, и благодаря ему не нужны скальпель, нитки и прочие инструменты. Это означает, что исчезает проблема инфекции. Лазер также может проникать сквозь прозрачную часть глаза, не травмируя его и не причиняя никакой боли. Операцию можно проводить не в стационаре, а в амбулаторных условиях.

Благодаря сложной системе наведения под микроскопом и системе подачи лазерного луча, многие из которых компьютеризированы, глазной хирург способен проводить операцию с самой высокой точностью, которая невозможна при использовании традиционного скальпеля. Хотя список применения лазера в хирургии глаза очень длинный, он продолжает увеличиваться. Разрабатывается лазерный зонд, который можно будет ввести непосредственно в глаз больного через крошечное отверстие в склере. Такой лазер позволит хирургу проводить операцию с гораздо большей точностью.

Лазер стал широко применяться в лечении заболеваний сетчатки, и, несомненно, он станет еще более распространенным методом в будущем. Точнее становится наведение лазерного луча, который удаляет аномальные кровеносные сосуды, не травмируя прилежащие здоровые ткани. Методы лечения дегенерации желтого пятна и диабетической ретинопатии также совершенствуются.

4. 2 Голография

Голография — это процесс записи трехмерного изображения на высококонтрастной мелкозернистой фотопленке. В отличие от фотографии, голограмму можно рассматривать под разными углами. Также, в отличие от фотографии, на пленке фиксируется не сам объект, а его дифракционная картина, что достигается интерференцией двух сфазированных световых волн. При этом объект должен освещаться источником когерентного излучения, таким как лазер. Качество голограммы зависит от множества факторов, включая время экспозиции, ширину линии излучения, стабильность частоты и мощности и угловую стабильность. Уменьшение времени экспозиции обычно желательно для минимизации внешних влияний (например, вибрации). Обычно это достигается увеличением мощности. Узкая линия излучения (большая длина когерентности) необходима при больших разницах оптического пути. Изменения частоты в процессе экспозиции сдвигают интерференционную картину и размывают голограмму

Твердотельные лазеры идеально подходят для большинства голографических применений. Они могут развивать высокую мощность (модели от 10 мВт до 18 Вт) и обладают большой длиной когерентности (60−100 м). Их также отличает высокая стабильность как в отношении частоты, так и в отношении мощности и углового направления луча. В голубой области спектра твердотельный лазер выдает одночастотное излучение. Голография также используется как инструмент в производстве медицинских, оптических и полупроводниковых устройств. [11]

4. 3 Шоу-бизнес

Лазеры все чаще применяются в качестве элемента художественного оформления на дискотеках и в ночных клубах, на концертах и праздничных шоу. Постепенно создание лазерных композиций превращается в самостоятельный вид искусства, со своими правилами, своими конкурсами и соревнованиями, своими гениями и законодателями мод. Применение аргонового лазера в данной области показан на. [9,10]

Заключение

Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях — обработке материалов, медицине, измерениях, контроле, обработке и передачи информации, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях применение лазерного луча позволяет получать уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности, представляющиеся сегодня фантастическими. Мы уже начали привыкать к мысли, что «лазер все может». Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазерного луча иногда сменяются некоторым охлаждением к лазерам. Все это, однако, никак не может замаскировать основной факт — с изобретением лазера человек получил в свое распоряжение качественно новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный «инструмент» для повседневной производственной и научной деятельности. С годами этот «инструмент» будет все более совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и область применения лазеров. Нарастающие темпы исследований в области лазерной техники открывают возможности создания новых типов лазеров со значительно улучшенными характеристиками, позволяющими расширить области их применения в машино- и приборостроении. В настоящее время мы являемся свидетелями непрерывно увеличивающейся мощности излучения как твердотельных, так и газовых лазеров, работающих в постоянном режиме, что расширяет возможности их применения при различных технологических операциях: сварке деталей значительно больших габаритов, резке более толстых листов с большими скоростями, сверлении с увеличенными скоростями отверстий значительных диаметров и т. д. Открываются новые возможности в области упрочнения деталей машин и приборов, а также режущих инструментов. Дальнейшие успехи в этом направлении пока ограничиваются выходом из строя отдельных оптических элементов лазера: зеркал, выходных окон и др. — из-за их недостаточно высокой лучевой прочности. В области повышения лучевой прочности производятся обширные исследования. Одновременно открываются новые возможности применения лазеров в технологических операциях. Повышение стабильности работы лазеров позволяет поднять на новый уровень выполнение «тонких» операций доводки, размерной обработки локального характера. Для этой цели, по-видимому, наиболее перспективны лазеры, работающие в импульсном режиме, длительность импульсов излучения которых не превосходит нескольких десятков наносекунд.

Одной из характерных особенностей развития современной лазерной технологии является разделение сфер влияния твердотельных и газовых лазеров. Твердотельные лазеры в ближайшие годы будут иметь преимущества при выполнении энергетических импульсных процессов обработки, к которым относятся точечная сварка, сверление алмазных и рубинных камней, нанесение рисунков на тонких пленках за один импульс на большой площади и т. д. В тех случаях, когда для выполнения какой-либо технологической операции достаточно энергии излучения газовых лазеров, следует отдавать им предпочтение ввиду более высоких частот повторения импульсов, стабильности и большого срока службы. Газовые лазеры и установки на их основе предоставляют технологу-исследователю большие возможности в выборе частот и режимов работы, что имеет особое значение при обработке и нанесении различных пленочных покрытий. При этом найдут применение теплохимические и фотохимические методы воздействия лазерного излучения на материалы, которые широко используются в различных областях микроэлектроники.

Импульсные лазеры уже на современном уровне превзошли по импульсной мощности все другие источники энергии, и можно ожидать дальнейшего улучшения характеристик их излучения. Однако средняя мощность лазеров пока недостаточна. Можно предположить, что аргоновые лазеры и лазеры на основе иттриево-алюминиевого граната найдут широкое применение в технологических процессах средней энергоемкости, а мощные СО2-лазеры займут особое положение. Установки на их основе вытеснят традиционное оборудование для резки, сварки, сверления отверстий, термообработки материалов и изделий в области тяжелого машиностроения. Здесь СО2 — лазеры будут вне конкуренции. Простота управления интенсивностью управления лазерного излучения в сочетании с использованием современных средств программного управления позволит использовать лазерные установки в автоматизированных системах. Появление стабилизированных одночастотных лазеров, в особенности лазеров с плавной перестраиваемой частотой, каковыми являются жидкостные лазеры, значительно расширит области практических применений оптических методов в системах неразрушающего контроля, метрологии, системах измерения и контроля размеров и линейных перемещений. Лазерный пучок станет более удобным инструментом для определения физико-химических свойств материалов, использования в качестве визира, измерения длины, скорости и т. д. При этом приборы на основе лазеров будут обладать исключительно высокой точностью и воспроизводимостью при локальных измерениях. Оптические доплеровские методы дадут возможность измерять скорости потоков различных жидкостей и газов. Высокостабилизированные одномодовые лазеры позволят в еще большей мере использовать голографические и интерференционные методы измерений. К голографическим методам в настоящее время проявляется все больший и больший интерес многих специалистов, в отношении их применения определяются весьма большие перспективы. С помощью голографической интерферометрии можно обнаруживать отклонения от заданных размеров различных оптических непрозрачных объектов, а также производить испытания линз и зеркал, для которых не существует ручных шаблонов.

Практически выявлена перспективность применения маломощных лазеров непрерывного действия для измерения скоростей в потоках жидкости и газа. Однако применение лазеров большой мощности, работающих в сине-зеленой или инфракрасной областях спектра, позволит повысить дальность действия оптических доплеровских измерителей скорости до нескольких километров. Эти измерители могут найти применение в различных технологических процессах как датчики скорости для автоматизированных систем.

Широкое применение найдут лазеры в научных исследованиях. Важной областью явится использование перестраиваемых по частоте лазеров для спектральных исследований с высокой чувствительностью и разрешающей способностью. Наличие мощных непрерывных и импульсных лазеров позволит более совершенно провести исследования в области взаимодействия излучения с непрозрачными средами, изучить нелинейные эффекты, возникающие при прохождении интенсивного лазерного излучения через оптически прозрачные среды. Доступность и экономическая эффективность надежного лазерного оборудования будут и в дальнейшем определять широкое практическое применение лазерной технике в промышленности. В ближайшие годы, очевидно, появятся еще более производительные, мощные и надежные установки, которые позволят ускорить применение лазеров в различных областях науки и техники, в том числе и в проборо- и машиностроении.

Список литературы

1. Применения лазеров. Под редакцией д-ра техн. Наук В. П. Тычинского, издательство «Мир», Москва 1974.

2. Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Митрофанов А.С. Л. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Авт.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978.

3. Тарасов Л. В. Лазеры и их применение. Учебное пособие для ПТУ. М.: Радио и связь, 1983.

4. Тарасов Л. В. Лазеры: действительность и надежды: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

5. Федоров Б. Ф. Лазеры. Основы устройства и применения. М.: ДОСААФ, 1988.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой